原油乳狀液破乳方法的研究進展

馬玉麗

（西安石油大學， 陜西 西安 710065）

隨著社會現代化進程的加快，對石油的需求量逐年增加。為了使石油的采出率更高，采油工廠大多利用化學技術進行采油工作。這就導致構成原油乳狀液的物質較之以往更為復雜多樣、其穩定性強、不易破乳[1]。大多數原油最初在油田以乳狀液的形式生產。因此，石油工業面臨的一個重要問題就是去除原油中的乳化水，否則將導致原油運輸設備的腐蝕損壞[2]，同時影響下游煉油廠的正常操作。傳統的破乳劑通常由親水性和疏水性基團組成，這使得它們能夠吸附在油水界面上，從而破壞乳狀液的穩定性。然而，盡管它們的破乳效率較高，但在破乳后，破乳劑仍將停留在油相或水相中，從而造成額外的環境問題。因而怎樣高效環保地對原油乳狀液進行破乳就成為了一個急需攻克的難關[3]。盡管在過去的幾十年中科研人員為研究可靠和高效的破乳方法做出了巨大努力[4]，但大多數原油乳狀液不能在短時間內破乳。事實上，破乳操作是去除生產平臺和煉油廠原油中水分的關鍵過程。

破乳是破壞乳狀液穩定性并導致分散液滴聚集和分離的過程。目前，破乳方法大致可以分為：物理破乳法、生物破乳法以及化學破乳法。這些破乳方法可以幫助我們更快地從原油乳狀液中脫出水，但也各有其局限性。

1 物理破乳法及其特點

物理破乳法有：沉降分離破乳法、電破乳法、超聲波破乳法、微波破乳法以及膜破乳法等。

1.1 沉降分離破乳法

沉降分離破乳法是相對比較簡單的一種原油乳狀液破乳方法。其破乳原理是利用重力作用初步分離油相和水相。由于油的密度比水小，分離后，上部是油相，下部是水相。

這種破乳方法一般用于含水量比較高的原油乳狀液。其所用破乳設備簡單，消耗能源少，但是破乳效率不高，花費時間較長。

1.2 電破乳法

電破乳法的破乳機理就是對原油乳狀液施加高壓電場，在強電場的作用下，水滴將會發生形變并伴隨靜電力的產生[5]。此時，油水乳狀液的界面膜的機械強度會逐漸減小。同時，產生的靜電力也會加速水滴的移動，從而增大其動能，使水滴間的互相碰撞變得更加劇烈，聚集成為更大的水滴，最終因兩相密度存在差異而發生水相沉降和分離[6]。這種破乳方法可以減少對化學破乳劑的需求。但是，此破乳方法可能會由于發生短路或電弧而存在過量的水，最近的靜電格柵設計消除了短路或電弧[7]。

電破乳法相比于其它的破乳方法來說較為成熟[8]，但如果原油乳狀液中的水含量過高，此時就無法構建穩定的電場來進行破乳工作。因此，電破乳法也有其局限性。

1.3 超聲波破乳法

超聲波處理（UST）是一種原油乳狀液的破乳方法。其破乳原理可描述如下：增強的液滴振蕩加速了液滴的碰撞，以促進其聚結，部分聲能傳遞的熱量降低了乳狀液的粘度和界面膜的強度。此外，液滴定向聚集到壓力節點或反節點，并在超聲波駐波（USW）中形成液滴帶，這可以提高液滴聚結的效率[9]。超聲處理（UST）后，油水乳狀液中的平均水滴大小變化很小[10]。與常規加熱和添加破乳劑相比，在聲學振動作用下，乳化介質中的條件會發生變化，從而使分散介質液滴聚結，并且破乳發生得更為活躍[11]。

與常規破乳方法相比，超聲波處理可確保原油的脫水程度更高[12]。超聲波破乳法具有適應性較好、效率較高、低溫破乳等優點，但目前尚無合適的工業設備將其應用于采油現場。

1.4 微波破乳法

微波破乳就是用高頻電磁波輻射處理原油乳狀液[13]，其作用機理是利用微波的熱效應和非熱效應。熱效應意味著極性水分子吸收能量進而膨脹，并且界面膜在壓力作用下變得更薄，這使其更容易破乳。非熱效應主要體現在極性水分子在微波輻射形成的高頻電磁場中高速扭曲，導致油水界面膜的機械強度較低，更容易破裂；微波破乳可以顯著降低Zeta 電位，使液滴更容易碰撞和聚結，并實現油水分離[14]。微波技術可以快速加熱乳狀液，有利于通過熱效應將原油乳狀液分離成水相和油相，有利于化學破乳劑的擴散，有利于破壞原油乳狀液的穩定性[15]。

微波破乳法是原油乳狀液破乳脫水的有效方法，其具備破乳效率高、升溫速度快、適用乳狀液范圍廣、保護環境等特點。然而，對于乳化程度較高的原油乳狀液，只使用微波破乳的方法，也很難達到含水率1%的質量指標。同時，目前我們對微波破乳的實驗機理了解地并不清楚，一些細節方面的設計處理也不夠精確，因此要將此破乳方法應用于現場還有一段路要走。

1.5 膜破乳法

膜破乳法的主要作用機理是油水乳狀液通過微孔膜，使得分散的液滴聚結，從而實現破乳[16]。

膜破乳是一種高效低能、應用范圍比較廣的新型破乳方法。此破乳方法在理論上可行，但經濟成本過高。此外，膜破乳法也有一些弊端，如：單位膜面積的處理能力有限，膜破乳對環境的污染也比較嚴重。同時，由于滲透速率的快速下降或低通量，導致膜破乳受到嚴重限制，因為孔容易被油吸附堵塞。

2 生物破乳法及其特點

生物破乳法的主要作用機理是具有一定性質的微生物在代謝過程中會產生特定物質，而這種物質會破壞原油乳狀液的穩定性[17]。生物破乳劑大致可以分為兩大類：細胞結合破乳劑和細胞外代謝破乳劑[18]。在細胞結合破乳劑中，細胞壁表面分子，如：蛋白質被認為是破乳劑。細胞外代謝破乳劑主要由細胞分泌的脂肽和糖脂化合物組成。其次，所生產的生物破乳劑的化學結構可以通過改變培養條件而改變。應注意，即使是生物表面活性劑化學結構的微小改變也會顯著影響其活性。生物破乳劑的活性與其培養條件相關。首先，有利條件的刺激會增加微生物的產量。此外，如果存在環境壓力（例如：缺乏氮源或有毒化合物的積累），碳氫化合物同化細菌生產破乳劑的量也會大大減少。因此，培養基的組成（例如：碳源和氮源）會影響生物破乳劑的產量和活性。

生物破乳劑有其顯著優勢，如：更多樣的化學結構、更高的生物降解性、更低的成本和更少的毒性）[19]。同時，生物破乳劑在一定條件下是一種可再生資源，具備無污染、繁殖能力強、經濟性高、能在短時間內快速破乳等優點。但其缺點也很明顯，承擔破乳劑角色的微生物培養周期長、破乳效果不穩定。

3 化學破乳法及其特點

時至今日，國內外采油工廠大多仍是使用化學藥劑來進行破乳工作[20]。此破乳技術一般是指在油水乳狀液中加入化學藥劑來破壞其穩定性，從而實現從乳狀液中脫出水的目的?；瘜W破乳劑的應用是解決原油乳狀液破乳的最常見策略之一[21]，它涉及到兩親分子的使用，由于其界面活性，加速了界面膜的破裂，從而促進了水滴的絮凝和凝聚[22]。按照帶電性質的不同，此類化學破乳劑一般可分成：陰離子型、陽離子型以及非離子型等。當前的研究工作主要集中于開發成本效益高且環境友好的化學破乳劑，以滿足石油公司規范（原油的最大允許含水率通常為0.1%～0.5%）。

化學破乳劑的主要優勢在于它可以很容易地整合到現有的無油分離裝置中，而無需關閉設備。同時，化學破乳法的經濟成本低、現場應用也很多，但在破乳過程中會生成一些有害的副產物，不利于我們建設環境友好型社會。

4 化學和物理相結合的破乳方法及其特點

此方法的其中一種就是將磁性納米顆粒和微波結合起來共同用于原油乳狀液的破乳。

磁性納米顆粒吸附于油滴上會使其表面產生電磁作用，此時再將其置于微波產生的高頻率電磁場下，二者會產生耦合協同作用，使得破乳效果更好。因其對環境無污染、方便回收重復利用的特性，成為了相關研究人員關注的焦點。磁性納米顆粒不僅具有普通納米顆粒的優良特性，而且還表現出更好的分散性和明顯的磁響應性，這使得它們能夠更加快速地分散并吸附到油水界面，進而破壞乳狀液的穩定性[23]。除此之外，磁性納米顆粒在對油水乳狀液破乳后會停留在水相中。通過在外部添加磁場的方式，可以對其進行回收利用[24]。這樣既可以避免對其不恰當處理而引起環境污染，同時也能使用磁性納米顆粒來進行多次破乳，以求實現資源的最大化利用。

此破乳方法破乳效率高、成本較低，但也存在一些不足之處，如：我們尚未研究清楚其協同破乳的作用機理，尋找適合用于破乳的磁性納米顆粒也是困難的，另外研制適合用于工業的微波破乳設備也需要一定的時間。

5 總結與展望

隨著原油消耗量的日趨增加，我們不得不發展研究各種各樣的采油技術。這些新型的采油技術提高了原油的采出率，同時間接導致了原油乳狀液的構成成分更加復雜，也更加穩定。這就使得破乳工作較之以往更加困難。綜合來看，一些較為成熟的破乳方法，如：沉降分離破乳法、電破乳法以及化學破乳法等破乳方法研究深入，其破乳機理了解地清楚透徹。這些破乳方法在現場應用廣泛，在各大油田的破乳工作中仍占有舉足輕重的地位。除此之外，還有一些比較先進的破乳方法，由于其具備環保且破乳效率高等優點，近些年來的發展也越來越來快。這類破乳法，如：微波破乳法、超聲波破乳法、磁性納米顆粒加微波協同破乳的方法等都還處在實驗室研究階段，尚未投入工業應用。需要進一步研究清楚并掌握它們的破乳作用機理才能大規模應用于實踐。在廣大科研人員的通力合作下，這些新型的破乳方法肯定會有更加光明的未來。